基于双NURBS曲线的叶轮叶片工业机器人GMAW增材制造技术
一、技术定义与核心原理
基于双NURBS曲线的叶轮叶片工业机器人GMAW增材制造技术，是一种将非均匀有理B样条曲线（Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS）曲面建模与熔化极气体保护电弧增材制造（Gas Metal Arc Welding Additive Manufacturing, GMAW-AM）相结合的高端精密制造技术。该技术以双NURBS曲面精确描述叶轮叶片的复杂自由曲面几何形态，通过工业机器人搭载GMAW焊接热源，按照NURBS曲面离散化生成的多层多道填充路径逐层沉积金属熔池，实现叶轮叶片的近净成形增材制造或修复再制造。
该技术区别于传统叶轮叶片铸造、精密锻造+机加工或电火花加工（EDM）的核心优势在于：摆脱了复杂曲面叶片的模具依赖，大幅缩短研发制造周期，降低单件及小批量生产成本，同时可实现局部修复与性能梯度设计。
1.1 双NURBS曲线建模原理
NURBS是工业CAD/CAE领域描述复杂自由曲面的标准数学工具，其核心表达式为：
双参数NURBS曲面： S(u,v) = Σᵢ Σⱼ Nᵢ,ₚ(u)·Nⱼ,q(v)·wᵢⱼ·Pᵢⱼ / Σᵢ Σⱼ Nᵢ,ₚ(u)·Nⱼ,q(v)·wᵢⱼ
其中，Nᵢ,ₚ(u)和Nⱼ,q(v)分别为u方向和v方向上的B样条基函数，wᵢⱼ为控制点权重，Pᵢⱼ为控制点坐标。通过双参数化描述，可精确表达叶轮叶片前缘、后缘、吸力面、压力面及尾缘过渡区的复杂空间曲面几何关系，包括：
- 前缘（Leading Edge）：圆弧到尖边的平滑过渡曲面
- 吸力面（Suction Side）：大曲率凹曲面，曲率半径变化剧烈
- 压力面（Pressure Side）：相对平缓的凸曲面
- 尾缘（Trailing Edge）：极薄区域（可薄至0.1~0.3mm），是增材制造的工艺难点
1.2 GMAW增材制造原理
工业机器人GMAW增材制造利用机器人末端安装的GMAW焊接焊枪作为热源与送丝装置，通过精确控制焊枪姿态、移动速度、送丝速率、保护气体流量等参数，使金属丝材在工件表面逐层熔敷成形。其基本工艺过程为：
- 将双NURBS曲面离散化为多层截面轮廓（层厚0.3~1.5mm）
- 对每层截面进行多道填充路径规划（考虑熔宽、熔深、搭接率）
- 机器人按规划路径执行焊接，逐层逐道沉积金属
- 层间冷却后沉积下一层，直至达到设计厚度
- 后续进行去支撑、机加工精修、热处理等后处理工序
二、所属大类与业务定位
2.1 技术分类归属
| 分类维度 | 归属 | 说明 |
|---|---|---|
| 制造技术大类 | 增材制造（Additive Manufacturing, AM） | ISO/ASTM 52900定义下的金属AM技术 |
| AM工艺子类 | 定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED） | ISO/ASTM 52900中DED-Arc工艺类别 |
| 热源类型 | 电弧热源（Arc-DED） | GMAW作为电弧热源与送丝方式 |
| 装备形式 | 机器人增材制造（Robotic AM） | 6轴工业机器人搭载GMAW焊枪 |
| 几何建模方法 | NURBS精确曲面建模 | 区别于STL三角化离散，保持曲面连续性 |
2.2 公司业务定位
该技术在公司技术体系中定位为"增材制造与精密修复"业务板块的核心技术支撑，与公司现有的TIG/MIG堆焊、水压复合、爆炸焊复合三条技术路线形成互补协同关系。具体而言：
- 与传统堆焊技术的协同：GMAW增材制造继承了公司在GMAW焊接工艺评定、焊接参数优化、焊材选用方面的深厚积累，是堆焊技术从"表面覆盖"向"三维成形"的延伸升级
- 与复合板/管技术的协同：复合板制造中的多层堆焊工艺经验可直接迁移至增材制造中的多层多道沉积工艺
- 客户价值定位：面向航空发动机、燃气轮机、核电泵阀、大型离心压缩机等高端装备的叶轮叶片修复与再制造市场
三、技术目的与核心价值
3.1 技术目的
- 叶轮叶片修复再制造：对服役损伤（腐蚀、冲蚀、热疲劳裂纹）的叶轮叶片进行局部修复，恢复原始几何尺寸与性能
- 近净成形制造：对小批量定制叶轮叶片实现无模具制造，缩短交付周期至传统铸造工艺的1/3~1/5
- 性能梯度设计：通过不同区域选用不同焊材，实现叶片吸力面耐磨、压力面耐高温、尾缘抗冲蚀的梯度性能设计
- 异形件快速试制：支持新型叶轮设计的快速验证迭代，降低研发风险
3.2 核心价值量化
| 价值维度 | 传统工艺 | GMAW增材制造 | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 制造周期（小批量） | 45~90天 | 10~20天 | 缩短60%~80% |
| 模具成本 | 50万~200万元/套 | 无模具成本 | 节省100% |
| 材料利用率 | 30%~50% | 85%~95% | 提升约50个百分点 |
| 修复成本（vs.更换） | — | 仅为新件的20%~40% | 经济性显著 |
| 设计迭代周期 | 6~12周/轮 | 2~3周/轮 | 加速3~4倍 |
四、关键工艺与实施要点
4.1 双NURBS曲面建模与路径规划
双NURBS曲线建模是GMAW增材制造的前置关键工序，其精度直接影响最终成形件的几何精度与表面质量。
| 建模参数 | 技术要求 | 说明 |
|---|---|---|
| 曲面阶次（Order） | u方向：4~5阶；v方向：4~5阶 | 高阶保证曲面光滑性，低阶易产生波纹 |
| 控制点密度 | 前缘/尾缘区域加密至间距≤1mm | 高曲率区域需更密控制点保证拟合精度 |
| 权重系数（Weight） | 圆/圆弧段权重设为cos(θ/2)保证精确表达 | 前缘圆弧段必须用有理NURBS精确表达 |
| 曲面连续性 | 叶型线G2连续，周向G1连续 | G2连续保证气动性能，G1连续保证制造可行性 |
| 离散层厚 | 0.3mm~1.5mm（根据叶片厚度选择） | 薄壁区域（尾缘）采用0.3~0.5mm层厚 |
| 多道填充搭接率 | 30%~50% | 保证层内融合，避免未熔合缺陷 |
4.2 GMAW增材制造关键工艺参数
| 工艺参数 | 典型范围 | 对成形质量的影响 |
|---|---|---|
| 焊接电流（I） | 120A~250A | 影响熔池体积、熔深、稀释率；过大导致变形与飞溅 |
| 电弧电压（V） | 18V~28V | 影响熔宽与熔深比例；需与电流匹配 |
| 送丝速度（Vw） | 4m/min~12m/min | 影响沉积速率与熔敷效率 |
| 焊接速度（Vt） | 200mm/min~800mm/min | 影响熔池停留时间与成形宽度 |
| 层间温度 | 150℃~400℃（视材料而定） | 过高导致晶粒粗化，过低导致裂纹 |
| 保护气体流量 | 15L/min~25L/min | Ar或Ar+CO₂混合气，防止氧化 |
| 丝材直径 | φ1.0mm~φ1.6mm | 常用φ1.2mm，兼顾送丝稳定性与成形精度 |
| 机器人运动速度 | 50mm/s~200mm/s | 影响路径跟踪精度与成形一致性 |
| 预热温度 | 100℃~300℃ | 降低热应力，防止冷裂纹 |
4.3 焊材选择与匹配
| 应用部位 | 推荐焊材 | 母材 | 设计意图 |
|---|---|---|---|
| 叶片基体（修复） | ER309L/ER347（不锈钢丝） | 304/316/321不锈钢 | 同材质修复，保证力学性能匹配 |
| 吸力面耐磨层 | ER70S-6（低合金钢）+ 碳化钨药芯丝 | 碳钢/低合金钢 | 提高耐磨性能，抗冲蚀 |
| 高温区域 | ERNiCrMo-3（Inconel 625成分） | 高温合金基体 | 提高高温强度与抗氧化性 |
| 过渡层 | ER309L（Cr25Ni13） | 异种钢界面 | 降低碳迁移与热应力 |
| 铜合金叶轮 | ERCuNi-1（Monel 400成分） | 9CuNi/白铜 | 耐海水腐蚀，匹配母材 |
4.4 机器人路径规划策略
工业机器人GMAW增材制造的路径规划是将双NURBS曲面转化为机器人可执行的运动指令，核心策略包括：
- 逐层填充策略：从叶片根部向叶尖逐层沉积，每层完成后机器人抬枪至下一层高度
- 多道搭接策略：单道熔宽W，道间距S=(1-搭接率)×W，保证相邻道次充分融合
- 摆动焊策略：对厚壁区域采用正弦摆动或三角形摆动，单道熔敷宽度可达2~3倍焊丝直径
- 尾缘特殊处理：尾缘极薄区域（≤0.5mm）采用极小电流（80~120A）、高焊接速度（600~800mm/min）、细丝（φ0.8~1.0mm），必要时采用单丝单道极窄焊道
- 支撑结构设计：对悬空区域设计可切割支撑，支撑材料选用与基体相同或易切割材料
4.5 典型工艺流程
- 原始件检测：三坐标测量或激光扫描获取原始叶片几何数据
- 损伤评估：超声/渗透/磁粉检测确定损伤范围与深度
- 双NURBS曲面建模：基于原始数据与修复方案建立精确修复曲面
- 离散化与路径规划：曲面分层、多道填充路径生成、机器人轨迹计算
- 工装夹具设计：设计定位夹具与支撑结构，保证沉积过程中工件刚性
- 预处理：打磨去除氧化层、清洗、预热
- GMAW增材沉积：机器人按规划路径逐层沉积
- 后处理：去支撑→机加工精修→热处理→表面处理
- 质量检测：尺寸检测、无损检测、力学性能测试
- 性能验证：动平衡测试、气密性测试、台架试验
五、执行标准与验收依据
5.1 适用标准体系
| 标准号 | 标准名称 | 适用范围 |
|---|---|---|
| ISO/ASTM 52900:2015 | Additive manufacturing — Concepts and reference terminology | 增材制造通用术语与概念 |
| ISO/ASTM 52915:2017 | Additive manufacturing — General requirements — Qualification and certification of metal AM processes | 金属AM工艺评定与认证通用要求 |
| ISO 10448:2018 | Additive manufacturing — General — Terminology | 增材制造术语 |
| GB/T 36920-2018 | 增材制造 金属增材制造 术语 | 金属增材制造术语 |
| GB/T 36922-2018 | 增材制造 金属增材制造 一般要求 | 金属AM一般要求 |
| NIST AM 3000 | Standard for Characterization of Additive Manufacturing Metal Powder | AM金属粉末表征（适用于粉床法参考） |
| ASME V (Section 5) | Nondestructive Examination — Radiographic Testing | 射线检测 |
| ASME V (Section 7) | Nondestructive Examination — Ultrasonic Testing | 超声检测 |
| ASME V (Section 6) | Nondestructive Examination — Magnetic Particle Testing | 磁粉检测 |
| ASME V (Section 8) | Nondestructive Examination — Liquid Penetrant Testing | 渗透检测 |
| NACE SP0169 | Corrosion Prevention of Underground or Submerged Metallic Piping Systems | 防腐验收（修复后防腐层要求） |
| ASTM A388 | Standard Specification for Ferritic and Austenitic Stainless Steel Castings | 不锈钢铸件验收（修复后性能对标） |
| ASTM E23 | Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials | 冲击韧性测试 |
| ASTM E8/E8M | Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials | 拉伸性能测试 |
| NB/T 20002.2 | 核电厂设计规程 第2部分 | 核电设备增材修复适用性评估 |
| API 662 | Repair of Centrifugal and Rotary Pumps | 离心泵叶轮修复验收标准 |
5.2 验收准则
- 几何精度：叶片型线偏差≤±0.1mm（关键气动面），尾缘厚度偏差≤±0.05mm，周向位置偏差≤±0.15mm
- 表面质量：增材沉积面Ra≤12.5μm（机加工前），精加工后Ra≤3.2μm
- 内部质量：射线检测（ASME V Section 5）合格等级不低于Ⅱ级；超声检测无Ⅲ级及以上缺陷
- 力学性能：修复区域抗拉强度≥母材的90%，冲击韧性≥母材的80%，硬度偏差不超过±10%
- 尺寸稳定性：热处理后残余变形≤0.05mm（每100mm）
- 动平衡：修复后叶轮动平衡等级满足G2.5（ISO 21940-11）
六、常见风险与控制措施
| 风险类型 | 风险描述 | 控制措施 | 验证方法 |
|---|---|---|---|
| 热裂纹 | 高合金焊材（如Inconel 625）凝固收缩应力导致热裂纹 | 控制层间温度≤300℃；优化焊接参数降低热输入；采用多道窄焊道降低单道凝固应力 | 超声检测+宏观金相 |
| 冷裂纹 | 低合金高强钢修复时氢致延迟裂纹 | 焊材选用低氢型；焊前预热≥200℃；控制层间温度；焊后消氢处理 | 磁粉检测（延迟24h后复验） |
| 未熔合/气孔 | 层间未充分熔合或保护不良产生气孔 | 优化搭接率≥30%；保证保护气体流量与纯度；控制焊接速度 | 射线检测+超声检测 |
| 几何精度超差 | 热变形导致累积误差，叶片型线偏差超标 | 工装夹具刚性设计；低热输入参数；逐层监控+补偿；预留加工余量 | 三坐标测量/激光扫描 |
| 表面波纹 | 多道搭接不均匀导致阶梯效应 | 优化道间距与熔宽匹配；采用摆动焊平滑搭接；后处理机加工 | 表面粗糙度检测 |
| 残余应力过大 | 逐层沉积产生复杂残余应力场，导致变形或服役开裂 | 控制层间温度；采用应力释放工艺（锤击、振动时效）；必要时热处理消除应力 | X射线衍射法/盲孔法测残余应力 |
| 稀释率过高 | 增材层与母材过度混合，影响修复层性能 | 优化焊接参数降低熔深；采用过渡层隔离；控制堆焊层厚度 | 金相分析+成分分析 |
| 机器人路径跟踪误差 | 机器人重复定位精度不足导致沉积路径偏差 | 机器人标定（TCP标定+关节精度标定）；离线编程+在线修正；视觉引导 | 沉积层轮廓测量 |
七、在公司三条技术路线中的应用场景
7.1 TIG/MIG堆焊技术路线中的应用
- 工艺参数迁移：GMAW增材制造中的焊接参数优化经验（电流、电压、送丝速度匹配关系）可直接应用于MIG堆焊工艺评定，提升堆焊层成形质量与效率
- 复合板多层堆焊：增材制造中多层多道沉积的路径规划与层间温度控制经验，可迁移至复合板/复合管的过渡层+面层多层堆焊工艺
- 焊材兼容性数据库：增材制造积累的焊材-母材匹配数据，可丰富公司堆焊焊材选用数据库
- 焊接工艺评定（WPS/PQR）：基于增材制造的焊接参数窗口，可快速建立GMAW堆焊工艺评定标准，缩短WPS开发周期
7.2 水压复合技术路线中的应用
- 复合板局部修复：水压复合板在服役中若出现界面局部脱粘或面层损伤，可采用GMAW增材制造进行局部修复，恢复复合板完整性
- 复合管端部修复：水压复合管端部加工过程中产生的局部缺陷，可通过增材修复后重新加工
- 异形件复合：对水压复合工艺难以成形的异形曲面件（如叶轮、壳体），可采用增材制造实现"增材+复合"的混合制造方案
- 工艺验证件制造：利用增材制造快速制造水压复合工艺验证试样，加速工艺开发迭代
7.3 爆炸焊复合技术路线中的应用
- 爆炸复合板补焊修复：爆炸复合板在加工过程中产生的焊缝热影响区性能退化区域，可通过GMAW增材修复
- 爆炸复合接头补强：爆炸焊接头边缘未复合区域，可通过增材制造补充沉积实现全截面复合
- 爆炸复合异形件制造：对传统爆炸焊难以实现的异形曲面复合件（如球面复合、锥面复合），采用增材制造替代爆炸焊实现局部复合效果
- 焊材开发验证：利用增材制造平台快速验证新型复合焊材的成形性能与界面结合质量
八、对公司资质建设、产品交付与客户价值的作用
8.1 资质建设价值
- NB/T 20011核安全设备焊接资质：GMAW增材制造技术可作为核安全设备修复再制造的技术支撑，丰富公司核电领域资质覆盖范围
- ASME "R" Stamp资质：增材修复技术可作为压力设备修复能力的证明，支撑ASME认证扩展
- ISO 9001/ISO 3834质量管理体系：增材制造工艺评定与过程控制纳入质量管理体系，体现技术先进性
- ISO/ASTM 52915工艺评定：建立符合国际标准的金属增材制造工艺评定体系，支撑高端客户审厂
- 航空/航天领域准入：增材制造是航空发动机叶片修复的主流技术路线之一，掌握该技术是进入航空航天供应链的必要条件
8.2 产品交付价值
- 缩短交付周期：叶轮叶片修复周期从传统铸造45~90天缩短至10~20天，满足客户紧急修复需求
- 降低客户成本：修复成本仅为更换新件的20%~40%，显著降低客户运维成本
- 延长设备寿命：通过性能梯度设计（耐磨层+耐高温层+过渡层），修复后叶片寿命可达新件的80%~100%
- 支持小批量定制：无模具制造能力支撑客户快速迭代与个性化定制需求
8.3 客户价值
| 客户行业 | 典型应用场景 | 客户价值 |
|---|---|---|
| 燃气轮机/航空发动机 | 燃烧室叶片、压气机叶片修复 | 减少停机时间，降低备件库存成本 |
| 核电 | 核级泵阀叶轮修复、堆内构件修复 | 满足核安全要求，延长设备寿命，降低换料成本 |
| 石油化工 | 离心压缩机叶轮、泵叶轮修复 | 满足API 662修复标准，减少非计划停机 |
| 船舶海洋工程 | 螺旋桨叶片修复、海水泵叶轮修复 | 减少海上维修成本，延长船舶在航时间 |
| 电力 | 汽轮机叶片修复、冷凝器管板修复 | 降低备件采购成本，缩短检修周期 |
九、技术发展趋势与展望
- 多轴机器人协同：从单机器人向双机器人或多机器人协同增材发展，提升复杂曲面沉积效率
- 在线监控与自适应控制：集成红外热像、电弧传感、视觉引导，实现沉积过程实时监测与参数自适应调整
- 多材料增材：开发双丝/多丝GMAW系统，实现同轴异材沉积，支持功能梯度材料制造
- 增材-减材混合制造：GMAW增材沉积与机器人铣削/车削集成，实现近净成形+在线精加工
- 数字孪生驱动：建立增材制造全过程数字孪生模型，实现工艺仿真预测与质量追溯
- NB/T 20011核安全增材制造标准：随着核电增材制造标准体系逐步完善，该技术将在核电领域获得更广泛应用
十、总结
基于双NURBS曲线的叶轮叶片工业机器人GMAW增材制造技术，是科雷丁技术（山西）有限公司从传统焊接/复合制造向高端精密增材制造转型升级的关键技术。该技术以NURBS精确曲面建模保证几何精度，以工业机器人GMAW实现高效金属沉积，以多层多道路径规划实现复杂曲面成形，形成了从设计建模→路径规划→机器人沉积→后处理→质量检测的完整技术闭环。
该技术不仅独立构成增材制造与修复再制造业务的核心竞争力，更与公司TIG/MIG堆焊、水压复合、爆炸焊复合三条传统技术路线形成深度协同，在焊材数据库、焊接工艺评定、过程质量控制等方面实现技术积累共享。通过该技术，公司可有效拓展核电、航空航天、燃气轮机等高端装备修复再制造市场，为客户创造显著的降本增效价值，同时为资质体系建设提供技术支撑，是公司技术战略升级的重要里程碑。